GPS無疑為當(dāng)今電子產(chǎn)業(yè)亮點之一，其主力產(chǎn)品便攜式導(dǎo)航產(chǎn)品(Portable Navigation Device，PND)近年來交出極亮麗的銷售佳績。根據(jù)“資策會MIC”日前發(fā)表的最新預(yù)測報告指出，2007年全球PND市場的規(guī)模突破2600萬臺，較2006年成長43%，其中標(biāo)準(zhǔn)型PND市場規(guī)模將達2320萬臺。
GPS的設(shè)備可分為三大類，即車用GPS、便攜式GPS和其它應(yīng)用設(shè)備(如航空、軍用等)?，F(xiàn)在當(dāng)紅的PND屬于車用GPS的一種，另一種則為內(nèi)置型GPS系統(tǒng)。內(nèi)置型GPS通常與CD/DVD等車用信息娛樂(Infotainment)系統(tǒng)整合，此類系統(tǒng)的價格極高，可達1000美元；相較之下，PND的價格便宜許多，而且持續(xù)在降價，大致可分為三種等級，即PND系統(tǒng)模塊價格約199美元的入門級產(chǎn)品、約299美元的中端產(chǎn)品，以及可達399美元的高端產(chǎn)品。
另一類值得關(guān)注的類型則是GPS手機和GPS PDA等便攜式GPS設(shè)備，這個市場的用戶數(shù)又遠大于車用市場，因此其成長遠景相當(dāng)令人期待。不過，由于其應(yīng)用性與汽車導(dǎo)航大相徑庭，強調(diào)的是個人化的移動定位增值服務(wù)，如各種位置服務(wù)(Location basedservice, LBS)，這些服務(wù)的內(nèi)容及服務(wù)體系、機制都還在建立當(dāng)中；此外，由于便攜式GPS設(shè)備經(jīng)常會走入室內(nèi)使用，因此對于定位技術(shù)的要求會更為嚴(yán)格。
圖1 GPS設(shè)備分類
GPS接收器運作架構(gòu)
這些GPS設(shè)備當(dāng)中的定位核心單元即是GPS接收模塊。這一模塊包括被動或主動天線、RF前端、GPS引擎、處理器(通常為ARM7)、內(nèi)存(ROM/RAM)和實時頻率(RTF)IC等，此外還必須搭配溫度補償型振蕩器(TCXO)；如果有特殊的應(yīng)用需求，還得使用到外部的Flash、EPROM或Serial EEPROM等內(nèi)存。接收及初步處理好的衛(wèi)星數(shù)據(jù)會再通過UART、USB等接口傳送給系統(tǒng)中的主處理器／控制器，再與地圖或其它應(yīng)用程序結(jié)合運算，并輸出定位導(dǎo)航等畫面到顯示器上。
再進一步來看看GPS的運作架構(gòu)。一般來說，GPS天線與接收器是分開設(shè)計的單元，而GPS接收器指的是包括射頻(RF)與數(shù)字基帶(BB)兩大部分。在建置上，GPS設(shè)備的設(shè)計者可以選用分離式的芯片組作法，以獲得較高的設(shè)計彈性；也可采用集成的SoC或SiP芯片，以降低采購成本及設(shè)計難度，此外，整合式芯片也具有尺寸小的優(yōu)勢。
在運作架構(gòu)上，RF前端的功能在于將從GPS天線接收到的高頻衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)換為基帶可讀取的中、低頻信號，再利用GPS基帶來進行衛(wèi)星信號采集(acquisition)及追蹤(tracking)的工作。在GPS引擎中的主要組成為所謂的相關(guān)器(correlator)，由相關(guān)器再組成通道(channel)，而相關(guān)器與通道的數(shù)量正是決定定位效能好壞的關(guān)鍵所在，因此GPS芯片制造商無不致力于提升其數(shù)量，其中高端GPS接收器的相關(guān)器件數(shù)量甚至已可達一百萬個，而通道數(shù)可達50個(u-blox 5)。
圖2 衛(wèi)星信息組成及接收所需時間
GPS衛(wèi)星信號原理
現(xiàn)在天空中的GPS是由24顆衛(wèi)星群所組成，分別運行在六個軌道面上，每顆衛(wèi)星會不斷地發(fā)射關(guān)于衛(wèi)星軌道、時間及各種參數(shù)的衛(wèi)星信息，這些信息的接收正是GPS終端能否成功定位的關(guān)鍵所在。目前GPS衛(wèi)星分別有1575.42MHz的L1載波及1227.60MHz的L2載波，在載波上調(diào)制了C/A電碼(C/A code)及P電碼，一般我們用得到的是L1及C/A電碼，L2及P電碼則為美國軍方在使用。
圖3 冷啟動需經(jīng)過搜尋、接收星歷數(shù)據(jù)及追蹤三階段
在L1上所搭載的衛(wèi)星信息以信框(Frame)為單位，每個信框為1500 bits，其下又分為五個子信框(Sub-Frame)，它的內(nèi)容包括衛(wèi)星的星期時間(Time of week, TOW)、廣播星歷(Broadcast Ephemeris)、電離層參數(shù)及萬年歷(Almanac)等，請參考表1。其中廣播星歷為個別衛(wèi)星本身的精確軌道位置，它每小時更新一次，每次更新的有效性約四小時；萬年歷則為所有衛(wèi)星在軌道上的概略位置及其狀況等，它每天更新一次，有效時間可達數(shù)周。
GPS設(shè)備的TTFF與其啟動條件有關(guān)，可以分為三種情況：一是接收器本身完全無有效衛(wèi)星數(shù)據(jù)的冷啟動(Cold Start)；一是接收器具有有效的萬年歷數(shù)據(jù)、時間和起始位置，稱為暖啟動(Warm Start)；如果再具有更準(zhǔn)確的廣播星歷數(shù)據(jù)，則稱為熱啟動(Hot Start)。
對于一個不具任何有效定位數(shù)據(jù)的GPS終端來說，最重要的是要收齊四顆衛(wèi)星個別的廣播星歷及衛(wèi)星時間數(shù)據(jù)，才能正確地計算定位。由于衛(wèi)星是以50 bit/s的速率來發(fā)射信號，因此同步收齊四顆衛(wèi)星一個完整信框數(shù)據(jù)的時間，至少需要30秒(即1500bps)，其中需花18秒下載廣播星歷。萬年歷方面，由于每次更新的數(shù)據(jù)需用到25個信框來傳送更新的萬年歷數(shù)據(jù)，因此要完整的下載，需要用掉12.5分鐘。
因此，冷啟動與熱啟動的定位時間相差甚大，前者所需時間至少需要18~36秒，接收過程中如果出現(xiàn)了任何干擾而導(dǎo)致信號中斷，那就得重新再接收一次。相較之下，如果在GPS設(shè)備的內(nèi)存中已有完整且有效的廣播星歷資料，只要確認目前在頭頂上的四顆衛(wèi)星，即可立即進行定位計算，定位動作甚至在1秒之內(nèi)就可完成。
圖4 A-GPS工作模式示意圖
所謂的輔助式GPS(Assisted GPS, A-GPS)。A-GPS的運作架構(gòu)上又可以分為兩大模式，一是由電信運營商來提供輔助信息的模式，一是由設(shè)備制造商所提供的輔助模式。運營商的A-GPS架構(gòu)又可分為為控制平面(Control plane)和用戶平面(User plane)兩種作法，這類的模式能夠提供質(zhì)量穩(wěn)定、實時且準(zhǔn)確的輔助信息，但建置成本極高，而且用戶必須負擔(dān)額外的聯(lián)機或服務(wù)成本。
為了打破運營商的控制，有些GPS設(shè)備或芯片公司(如u-blox或已被Broadcom并購的Global Locate)已開始提供免費的輔助數(shù)據(jù)。Global Locate 公司提出LTO(Long-Term Orbit)技術(shù)，能將廣播星歷數(shù)據(jù)的有效時間延長到2~10天；u-blox也提出AlmanacPlus技術(shù)，它可使用十天至兩周左右，但所提供位置的準(zhǔn)確性會隨著時間而下降，下載后前幾天準(zhǔn)確度最高，時間愈久準(zhǔn)確度就愈低，因此最好能經(jīng)常維持?jǐn)?shù)據(jù)的更新。
在A-GPS的架構(gòu)中，會由GPS全球參考網(wǎng)絡(luò)(Worldwide Reference Network, WWRN)所建置的基站來監(jiān)控衛(wèi)星的移動，并持續(xù)將觀測到的數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)絡(luò)中的中央服務(wù)器，通過此服務(wù)器來計算預(yù)測衛(wèi)星未來的移動位置等數(shù)據(jù)；這些輔助數(shù)據(jù)會再傳送給通信網(wǎng)路中的A-GPS服務(wù)器，當(dāng)具A-GPS功能的終端器尋求輔助數(shù)據(jù)時，就能通過GSM、GPRS、CDMA或UMTS等移動通信網(wǎng)路來實時傳送，稱為聯(lián)機式的A-GPS。另一種方式是讓用戶以離線的方式預(yù)先下載這些輔助數(shù)據(jù)，該用戶可在他方便的時間通過因特網(wǎng)或移動網(wǎng)絡(luò)來進行下載。
GPS接收器設(shè)計挑戰(zhàn)
今日的GPS市場競爭愈來愈激烈，為了實現(xiàn)市場區(qū)別，GPS設(shè)備有必要發(fā)展出應(yīng)對策略。就一般性PND的市場來說，由于獨立型設(shè)備的定位技術(shù)已發(fā)展到可接受的程度，因此未來有幾種走向，一是朝更多附加功能發(fā)展，例如整合Wi-Fi、藍牙(BT)及UWB等無線功能，以及AM/FM收音機、移動電視、視信輸入(Video in)等AV影音功能，也可導(dǎo)入硬盤(HDD)、觸控面板及外部喇叭輸出等功能。SiRF并購Centrality的原因，正是希望發(fā)展出屬于自己的一套整合應(yīng)用平臺。
另一個走向則是往更高功能發(fā)展，例如提供能夠更快定位的A-GPS功能與服務(wù)、提升定位追蹤的靈敏度，或是加入MEMS運動傳感器，為汽車提供不中斷的定位功能。在PND或內(nèi)裝式GPS中導(dǎo)入三軸加速度計和陀螺儀(Gyroscope)或磁羅盤等MEMS組件，就能夠在GPS信號不良時進行替代性的方位推估工作。
其原理是通過三軸加速度計所提供的加速度及運動方向變化，以及陀螺儀的轉(zhuǎn)向測量，來計算出車輛位移上的改變，并繼續(xù)在地圖上顯示導(dǎo)航的功能。在短距離內(nèi)，DR系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)比GPS的信號來得準(zhǔn)確，不過，當(dāng)時間增加時，誤差累積效應(yīng)會愈來愈大，導(dǎo)航的精確度就會大幅下降。
還有一個重要的發(fā)展趨勢，就是軟件式GPS的開發(fā)。所謂軟件式GPS是運用GPU或手機的基帶/應(yīng)用處理器和GPS軟件來取代今日的GPS基帶功能，這對于PND來說可以省下約5美元的系統(tǒng)成本。除了降低成本外，軟件式的GPS接收器方案還有助于縮小設(shè)計尺寸及提升設(shè)計彈性，讓產(chǎn)品能隨著新功能、新規(guī)格的演進而進行升級。不過，軟件式GPS仍得克服性能不佳、整合不易，而且會占用極大的處理器資源等設(shè)計難題。